JP2001058401A - インクジェットヘッド - Google Patents

インクジェットヘッド

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JP2001058401A
JP2001058401A JP23370799A JP23370799A JP2001058401A JP 2001058401 A JP2001058401 A JP 2001058401A JP 23370799 A JP23370799 A JP 23370799A JP 23370799 A JP23370799 A JP 23370799A JP 2001058401 A JP2001058401 A JP 2001058401A
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liquid chamber
diaphragm
film
length
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JP23370799A
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Zenichi Akiyama
善一 秋山
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Ricoh Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液室や振動板の形状や厚さを制御することを
容易にし、噴射特性のバラツキがなく、更には、その設
計の自由度を向上することができるインクジェットヘッ
ドを提供する。 【解決手段】 噴射すべき液体を保持するための液室1
1が施され該液室の壁面の一部が振動板12に形成され
たSi単結晶基板10と、前記振動板12上に形成され
た下部電極21,圧電膜22,上部電極23よりなる圧
電素子20と、前記液室11に連通するノズル及び流体
抵抗流路とを有し、前記圧電素子にて前記振動板12を
たわませて前記液室11の容積を変化させ、インクを噴
射させる。前記液室の配列方向の長さをL、前記液室の
奥行き方向の長さをW、前記圧電膜の厚みをTp、前記
振動板の厚みをTvとしたとき、 1)5<W<L<80 2)Tp>Tv 3)L/(Tp+Tv)=α(1/L0.333)、18<
α<74 の関係を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Si単結晶基板に
液室加工を施し、圧電素子を用いてインク滴を噴出する
インクジェットヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】インクジェットプリンタに使用されるプ
リンタヘッドのアクチュエータとして、加圧液室壁に設
けた圧電素子の変位によって、該加圧室の体積を変化さ
せるようにしたものが知られている。特公昭62−22
790号公報においては、液室に対応した個所の壁厚を
薄くした基板上に電極を形成し、スパッタリング,印刷
などの膜形製法により、前記液室に対応した個所の壁に
PZT膜を形成する、インクジェットヘッドの製造方法
が開示されている。特開平6−40035号公報におい
ては、加圧液室をグリーンシートにて積層形成して一体
焼成することにより、接着剤を使用せずに加圧液室を作
製し、その後、スクリーン印刷などの手法により圧電素
子を配置させており、生産性に優れた圧電/電歪アクチ
ュエータを提案している。この関連発明として、特開平
7―148921号公報においては、ノズルピッチが3
6dpi相当のヘッドが示されている。
【0003】今後は、更に高画質,印字速度の高速化の
要請により、ヘッドの集積度(ノズルピッチ)のものが
実現されていくものと予想され、具体的には、ノズルピ
ッチが90dpi相当のもの、更には、120dpi,
150dpiのものが予想される。
【0004】上述のようなノズルピッチの高密度化の要
請に対して、上記の従来方式では、以下に記す原理上の
制約により実現不可能であることが容易に類推される。
即ち、液室の配列方向の長さ(これはノズルピッチに反
比例する長さ)をLとした場合、振動板の撓み変位量は
4に比例する。このノズルピッチ(dpi)と変位量
の関係を求めると、表1の結果を得る。
【0005】
【表1】
【0006】表1に示すように、ノズルピッチの増加に
伴い、例えば、60dpiから90dpiに集積化した
場合、変位量は約1/5に減少してしまう。この程度の
減少においては加圧液室の長辺長を5倍に設計すること
により、体積変化量を稼ぐことが可能と思われるが、液
室奥行き方向の長さWの増加は単一基板上から取れるチ
ップ数の減少(スループットの減少)、歩留まりの低下
やヘッド自身の巨大化を招き、好ましくない。
【0007】これら高密度化の対応策として、振動板の
総厚さ(圧電膜厚みTpと振動板厚みTvの和)の薄層
化が考えられる。変位量は振動板総厚さの3乗に反比例
する。表2にジルコニアグリーンシートの厚さに着目し
た振動板の厚さに対する撓み変位量の値を示す。
【0008】
【表2】
【0009】即ち、表1で示した集積化に伴う最大変位
量の減少は振動板厚さを薄層化することで改善できうる
ことが分かる。しかし、このような振動板の薄層化をジ
ルコニアグリーンシートの積層体で得ることは困難であ
る。それは、第1に、加圧液室に相当する空隙をグリー
ンシートの打ち抜き加工で形成する際の加工性からの限
界。第2に、振動板シート10μm以下の形成とそのハ
ンドリングの困難さ、である。特に、振動変位のバラツ
キを振動板厚さに配分すると、厚さの均一性は中心厚さ
±3%の制度が要求されるため、中心厚さの減少は飛躍
的な加工精度を要求する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明者ら
は、上述のような理由により、120dpi以上の集積
化の実現にはジルコニアシートでの作製は好ましくない
という結論に至った。
【0011】本発明は、その対策として、マイクロマシ
ン加工が可能であるSi単結晶を基体に用いることで上
記課題を解決することを基本としている。
【0012】国際特許出願WO93/22140号にお
いては、圧電素子を用いて液体を噴射する液体噴射ヘッ
ドで、特に、PZT(ジルコン酸チタン酸鉛圧電セラミ
ックス)薄膜圧電素子を用い、小型化,高密度化,液体
噴射特性の向上を図り、かつ、優れた製造性を有する液
体噴射ヘッドとその製造方法に関するものが提案されて
いる。具体的には、液室上には薄い振動板と下部電極,
圧電膜,上部電極からなる薄い圧電素子が形成され、こ
れらが同一の基板上に複数個配置されている。そして、
液室の配列ピッチとノズルの配列ピッチとは同一である
とともに、液室寸法,圧電膜の厚み,振動板の厚みが特
定の関係になるように構成されている。
【0013】しかしながら、前記従来技術による液体噴
射ヘッド、その構成要素、それらの製造方法において
は、以下に示すような解決されるべき問題がある。WO
93/22140号においては、請求項中に構成要素の
厚み設定はないものの、実施例中のPZT厚みTpが最
大で4μm、振動板厚みTvが最大で5μmと設定さ
れ、特に、実用可能な範囲として、Tp+Tvが6μm
と示されており、この値が10μm程度以上の領域につ
いて念頭におかれていないことは明確である。Tp+T
vが10μm程度以下であれば、無負荷時の最大変位は
稼げるものの、振動板部位の剛性が低下し、液体噴射に
要求されるエネルギーは得られなくなる。
【0014】更に、前記従来技術には、液室に対応した
個所に薄い振動板を形成し、その上にPZTを形成する
製造方法であるが、本発明者らの実験によれば、液室,
振動板を形成した後にPZTを形成する方法において、
前記Tp+Tvを更に厚くした場合、例えば、Tpを1
2μm、Tvを6μmにした場合、これをスパッタリン
グ形成で行った場合、所望する膜厚を得るための膜形成
時間が12時間以上を要し、また、成膜時の熱履歴、及
び、圧電特性の向上として施される熱工程により、破
壊,剥離等の現象が起こり、液体噴射ヘッドの製造歩留
まりが極端に低下した。
【0015】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
なされたものであり、(1)効率的な液体噴射動作をさ
せることを可能とし、ノズル数を増やしても平面的に小
型で、ノズル高密度化の図られたインクジェットヘッド
を提供すること、(2)液室や振動板の形状や厚さを制
御することを容易にし、噴射特性のバラツキがなく、更
には、その設計の自由度を向上することができるインク
ジェットヘッドを提供すること、を目的としてなされた
ものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、噴射
すべき液体を保持するための液室加工が施され該液室上
に振動板が形成されたSi単結晶基板と、振動板上に形
成された下部電極,圧電膜,上部電極よりなる圧電素子
と、前記液室に連通するノズル及び流体抵抗流路を有
し、前記液室ノズル,液体抵抗流路,振動板,及び、圧
電素子が複数個配列されてなり、前記圧電素子に電界を
印加して前記振動板をたわませて前記液室の容積を変化
させることにより、前記液体抵抗流路を介して前記液室
内に供給された液体を前記ノズルより外部に噴射させる
インクジェットヘッドにおいて、前記液室の配列方向の
長さをL、前記液室の奥行き方向の長さをW、前記圧電
膜の厚みをTp、前記振動板の厚みをTvとしたとき、 1)5<W<L<80 2)Tp>Tv 3)L/(Tp+Tv)=α(1/L0.333)、18<
α<74 の関係を満たすことを特徴としたものである。
【0017】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記液室の配列方向における前記上部電極の長さL
upと、前記液室の配列方向における圧電膜の長さLp
と、液室の配列方向における下部電極の長さLloと、
前記液室の配列方向の長さLとの関係を 4)Lup≦Lp<L 5)Llo>L としたことを特徴としたものである。
【0018】請求項3の発明は、請求項1又は2の発明
において、前記圧電素子における構成層であるところ
の、下部電極,圧電膜,上部電極において、前記上部・
下部両電極に挟み込まれている前記圧電膜への一方の電
極が、層間絶縁膜,コンタクト孔を介して接続されてお
り、液室の配列方向におけるコンタクト孔の長さLc
が、 6)Lc≦Lp の関係にあることを特徴としたものである。
【0019】請求項4の発明は、請求項1乃至3のいず
れかの発明において、前記Si単結晶基板において、前
記液室形成用の第1の凹部加工が、深さD1、液室の配
列方向における幅Wv1として片面より施され、対向す
る面からも第2の凹部加工が、深さD2、幅Wv2とし
て施され、この関係が、 7)D1>D2 8)Wv1≦Wv2 の関係を持って形成される振動板構造を有することを特
徴としたものである。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明のインクジェットヘッド
は、圧電膜としてPZT系圧電セラミックスを用い、更
に、液室の配列方向の長さをL、前記液室の奥行き方向
の長さをW、前記圧電膜の厚みをTp、前記振動板の厚
みをTvとしたとき、 1)5<W/L<80 2)Tp>Tv 3)L/(Tp+Tv)=α(1/L0.333),ただ
し、18<α<74 の関係を満たすことを特徴としており、このようにする
ことによって、液体噴射効率に優れるとともに、ノズル
の高密度化,インクジェットヘッドの小型,高集積化を
図ることができる。
【0021】また、液室の配列方向における上部電極の
長さLupと、液室の配列方向における圧電膜の長さL
pと、液室の配列方向における下部電極の長さLlo
と、前記液室の配列方向の長さLとの関係を 4)Lup≦Lp<L 5)Llo>L となるように構成しており、このことにより、製造プロ
セス上の問題がなく、かつ、振動板を効率的に変形させ
ることができ、インク噴射を効率的に行うことができ
る。
【0022】また、下部電極,圧電膜,上部電極で圧電
素子の構成層を形成し、前記両電極に挟み込まれている
圧電膜への一方の電極が、層間絶縁膜,コンタクト孔を
介して接続されており、液室の配列方向におけるコンタ
クト孔の長さLcが、 6)Lc≦Lp となるように構成しており、このことにより、製造プロ
セス上の問題がなく、かつリーク電流が押さえられた圧
電素子を構成することが可能である。更に、上部電極か
らの電極の取り出しを容易に行うことができる。
【0023】また、液室形成用の第1の凹部加工が、深
さD1、液室の配列方向における幅Wv1としての片面
より施され、また、対向する面からも所望する深さにて
第2の凹部加工が、深さD2、幅Wv2として施され、
この関係が 7)D1>D2 8)Wv1≦Wv2 となるように振動板構造を構成しており、このことによ
り、振動板の加工制度を向上させ、平面の凹凸を減少さ
せ、安定した組み立てを可能にしている。
【0024】図1は、本発明が適用されるピエゾオンデ
マンド型インクジェットヘッドの基本構成の一例を示す
図で、図1(A)は複数個列状に設けられる液室の長手
方向断面図、図1(B)は平面図(図1(A)のB−B
線より見た図)で、図中、1は振動板、2は加圧液室、
3は蓋部材、4は共通インク流路、5はノズル板、6は
ノズル、7は共通インク流路形成板、8はノズル連通
穴、9はインク供給口(液体抵抗流路)、10は液室基
板、20は圧電素子で、周知のように、圧電素子20に
よって振動板1を変形させることにより、加圧液室2内
部の圧力を高め、ノズル6からインクを吐出するもので
ある。インクは複数の液室の上部にまたがって設けられ
た共通インク流路4を通り、各液室2に、各液室2に対
して1つずつ設けられたインク供給口(液体抵抗流路)
9から供給される。図1に示した構成のインクジェット
ヘッドの場合、インク供給口9は加圧液室2に設けられ
た板状の蓋部材3に穿孔された貫通孔で、この貫通孔の
径が小さすぎると液体抵抗が大きくなり、大きすぎると
ノズル6から吐出するインク量が減って吐出効率が低下
する。
【0025】(実施例1)図2は、本発明の実施例にお
けるインクジェットヘッドの層構成,形状を示す図で、
図中、10はSi単結晶の液室基板で、該Si単結晶の
液室基板10のSi加工により、液室11,隔壁12,
振動板13(隔壁12と振動板13により振動部位を形
成している)等が形成される。また、20は圧電素子
で、該圧電素子20は下部電極21,圧電膜22,上部
電極23から構成されている。なお、この液室11を閉
塞し、かつ、前記液体抵抗流路,ノズル部に連結するノ
ズル連結穴を有する共通インク流路形成板、前記共通液
室,前記ノズルを有するノズル板等は省略してある。
【0026】図2に示したインクジェットヘッドの動作
を簡単に説明すると、下部電極21と上部電極23の間
に電圧を印加し、下部電極21,圧電膜22,上部電極
23よりなる圧電素子20、及び、振動板13を変形さ
せ、液室11の体積を減少させ、該液室11内に充填さ
れているインクをノズル連結穴に押し出し、ノズルより
インクを噴射する。
【0027】以下、製造工程に従って、本発明のインク
ジェットヘッドを詳細に説明する。図3(A)〜図3
(C)は本発明の実施例における、単結晶Siの液室基
板10に圧電素子20及び液室11を形成するまでの製
造工程を示す断面図である。尚、この断面図において、
紙面に垂直な方向が液室の奥行き方向となる。面方位
(110)の単結晶Si基板10を水蒸気酸化にて熱酸
化膜10aを300nm、該基板10の両面に形成す
る。振動板部位は、図3(C)に示すように、このSi
熱酸化膜10a(図2に示した振動板13に対応)と、
Si基板10の薄膜部10b(図2に示した隔壁12に
対応)から構成される(この薄膜10bと熱酸化膜10
aとにより振動部位を形成する)。または、Si基板1
0に第2の振動板膜として、例えば、窒化珪素を化学気
相成長法にて成膜、また、窒素雰囲気中にて800℃の
熱処理を施し、形成してもよい。
【0028】そして、振動板10a(13)上に、下部
電極21をスパッタリング法にて、密着層をタンタル、
及び、窒化タンタル膜を50nm以下の膜厚にて、白金
−ロジウム合金膜を300nmに形成する。密着層とし
ては他にチタンやその窒化膜を、また白金膜やイリジウ
ム膜、更には白金と白金族元素からなる合金膜やその酸
化膜を用いてもよい。次に、圧電膜22としてPZTを
厚み4μm以上に形成する。圧電膜組成はPZT(52
/48)Nb0.5wt%添加品を用いた。なお、この
圧電膜は、その他の鉛系圧電体でもよく、例えば、ガス
ジェットデポジション法によって堆積する。ガスジェッ
トデポジション法による圧電膜形成は圧電膜微粒子を音
速程度に加速させ、基板に噴射、堆積させるもので、そ
の特徴は、プロセスの低温化や今までの膜形成技術,ス
パッタリング,CVD,sol−gelなどでは形成困
難である数μm以上1mm以下の厚さ領域にて、良好な
厚膜を得る厚膜形成技術である。このようにして、圧電
膜を形成し、その上に、上部電極23を配置すること
で、図3(B)に示す構成を得る。
【0029】その後、基板背面側の熱酸化膜10aをフ
ォトリソグラフィ・エッチングにて液室形状に対応する
開口部を設け、酸化膜層10aをフッ酸と弗化アンモニ
ウムからなる緩衝水溶液にてパターニングし、開口部1
0c(図2に示した液室11に対応)を得る。水酸化カ
リウム水溶液に浸漬し、酸化珪素層の開口部10cから
単結晶Si基板10の異方性エッチングを行い、液室1
1(10c)を形成する。このとき単結晶基板10の面
方位が(110)であることから液室11の奥行き方向
の辺を形成する側壁面を(111)面とすることができ
る。水酸化カリウム水溶液を用いた場合、Siの(11
0)面と(111)面の溶解速度の比は300:1程度
となり、300μmの掘り深さをサイドエッチング1μ
m程度に抑えて形成することができ、液室11が形成さ
れ、図3(C)に示す構成図を得る。
【0030】(実施例2)図4に、第2の実施形態であ
るインクジェットヘッドの構成を示す。前述の実施例1
において、圧電膜形成工程まで同じ工程にて形成され
る。圧電素子としての上部電極配置は、図4中の、層間
絶縁膜24にコンタクトホール25を形成させ、そのコ
ンタクト開口部を介して圧電膜22の表面と、上部電極
23が電気的に導通される構造を持つ。層間絶縁膜24
としては、フォトリソグラフィに用いられるノボラック
系感光性樹脂や、感光性ポリイミド樹脂、またはゴム系
のイソプレン系ネガ型フォトレジストと知られている材
料やウレタン系樹脂でも構わない。これら層間絶縁膜2
4は振動変位の拘束をしないことが望ましく、従って、
材料のヤング率はおおむね圧電体のそれに対し、十分低
いことが望ましく、特に、1桁ほど低い0.5×1010
以下の材料が好適である。また、用いる樹脂に感光性を
付与させ、通常のフォトリソグラフィにて開口加工がで
きうることは、素子製造の面からして好適である。具体
的には、日本合成ゴム社製のポジ型厚膜フォトレジスト
により、膜厚3μm以上の層間膜、並びにコンタクト開
口を行った。その後、280℃のキュア処理を施し、耐
候性、電気絶縁性に優れた層間絶縁膜を配置した。層間
絶縁膜24、及び、コンタクトホール25を介しての電
気的接続により、直流での絶縁耐圧が120kV/cm
と向上し、これは、前述の素子が電極端面での絶縁破壊
により60kV/cm程度であったのが、2倍の向上を
示した。
【0031】上記の構造を採用することで、圧電膜パタ
ーンに対し、1μm以下の精度にて上部電極との電気的
接続が可能となり、素子作製における重ね合わせ精度の
飛躍的な向上をもたらした。即ち、撓み振動変位を与え
る圧電膜幅は、上部電極幅に制限される。有効な設計の
配置に対し(後述)圧電膜幅とほぼ同じ幅が、変形効率
に有効であるものの、圧電幅と電極幅における重ね合わ
せ精度を考慮した設計を取る場合、L=120μm,L
p=96μmで、従来は、マージンを考慮した電極幅L
lo=80μmが選定されていたが(この場合の重ね合
わせ精度は±8μm)、前述の精度の下にコンタクト幅
Lc=94μmを採用することで、最大変位量は約5%
の向上を示した。
【0032】また、この構造は、次の上部電極形成にお
いて、形成方法の簡素化にも有効で、従来がフォトリソ
グラフィ・エッチングにより電極パターンを形成してい
たが、液室集積度120dpi相当ではピッチが約21
0μmであり、従って、メタルマスク蒸着による個別化
された電極膜形成が可能になり、工程の短縮に寄与し
た。更に、後述する(実施例3)ように、コンタクト部
の研磨による開口では、自己整合的にLp=Lcが得ら
れ、従って、層間絶縁膜・コンタクト開口部構造を有す
る本発明のインクジェットヘッドの最適寸法の表現は Lc≦Lp となる。また、このときの上部電極幅Lupは Lup≧Lc となる。
【0033】(実施例3)図5に、本発明の第3の実施
例であるインクジェットヘッドの構成を示す(ただし、
熱酸化膜10a(13)、下部電極21は省略してあ
る)。前述の実施例1,2においては、Si振動板部位
を片側からのエッチング加工にて作製していた。本実施
例では、第1の溝加工を液室配列方向に幅Wv1、深さ
D1で加工し、また、対向する面より第2の溝加工をW
v2,D2にて処理を行った。これはSi基板の大面積
加工に対し、均一なSi振動板部位を形成するためのも
のであり、加工の自由度を増すことにより、歩留まりの
向上を改善したものである。具体的には以下の手順にて
製造した。
【0034】300μmのSi単結晶基板10に、第1
の溝加工としてWv1が120μm、D1が280μm
の深さになるように、先の実施例で示したように、Si
熱酸化膜の開口と水酸化カリウム水溶液による異方性エ
ッチングを施し、形成した。次に、第2の溝加工とし
て、反対面より、同様に、Si熱酸化膜の開口とエッチ
ング処理を行い、所望する7μmの振動板部位を形成す
る。このときのWv2はWv1以上の幅にて、深さD2
はD1より小さい値で処理される。第1の溝加工により
形成される、振動板部位の厚さは、初期Si基板の厚さ
分布を反映し、残膜厚は場合として中心膜厚±3μmの
バラツキを有する。従って、第2の溝加工はCDEやR
IE等のドライエッチングにてこのバラツキを補正する
ように加工される。SF6等を用いたドライエッチング
ではSi熱酸化膜に対しSiのエッチング速度比は1:
130ほどが得られ、十分な加工ができる。
【0035】Wv1とWv2の関係は振動変位が振動板
幅に影響を及ぼすため、写真製版の重ね合わせ精度を吸
収できるよう、かつ、素子の集積化を低下させることな
く決定されなければならない。Wv1=Wv2と設計し
たとき、集積度に関してはもっとも好ましい。しかし、
重ね合わせ精度が5μm程度であり、両幅を等しくした
ところ、処理バッチ間5μmの変動がランダムに発生
し、この振動板幅が150dpiでの採用される幅12
0μmに対しては、4.2%の変動を与える。振動変位
は幅の4乗に比例するため、この範囲での変動は、結果
として、15%のバラツキを与えてしまう。従って、重
ね合わせ精度の2倍ほど、どちらかの幅を広くすること
が必須になる。また、Wv1<Wv2と、第2の溝にこ
の関係を採用したのは以下の理由からである。Wv1を
重ね合わせ精度の2倍に相当する幅に広げることで、閉
塞板との接合面積減少を防ぐため、また第2の溝加工に
より低いアスペクト加工を実現するためである。
【0036】上述のようにして、Si振動板部位を形成
した後、熱酸化によりSi酸化膜を形成し、前述の実施
例1もしくは2と同様の工程を得て圧電膜形成まで実施
した。圧電膜の堆積膜厚は第2の溝加工深さD2より大
きい値の膜厚を堆積する。次に、層間絶縁膜24として
樹脂を成膜し、研磨により平坦化処理を行う。このとき
の研磨終点は下部電極が露出する以前に終了させる。こ
のようにして圧電膜22が露出している部分は、実施例
2で示すコンタクト開口処理が不要であり、自己整合的
に、上部電極コンタクト面23が、圧電素子膜表面と一
致し、高密度化に対して有利となった。
【0037】(実施例4)次に、液室,電極寸法,圧電
膜の厚み・寸法,振動板の厚み等の関係について説明す
る。本発明者は、前述のインクジェットヘッドを用いて
液体噴射実験を行ったところ、様々な知見を得た。本発
明者は、まず、液室11,下部電極21,PZTによる
圧電膜22,上部電極23の平面的な位置関係を設定し
た。まず、下部電極21と圧電膜22,上部電極23に
関して、前記製造工程に従って、上部電極形成工程まで
行い評価してみた。下部電極21より上部電極23が大
きい場合と、その逆の、上部電極23より下部電極21
が大きい場合とを比べてみると、前者は電極間リーク電
流密度において2桁ほど後者に比べて大きくなっている
ことが分かった。
【0038】更に、上部電極23より下部電極21が大
きい場合において、PZT膜22が下部電極21より大
きい場合と、PZT膜22が下部電極21より小さい場
合においては、前者はPZT膜端部が下地膜界面から反
応、及び剥離が発生してしまったのに対し、後者はこの
ような剥離等の故障がなく形成できた。従って、以上の
結果から 上部電極幅≦PZT膜幅<下部電極幅 の大小関係とすることが分かった。即ち、 Lup≦Lp<L という関係にすることが導き出された。
【0039】次に、前記Lup≦Lp<Lという条件の
もとで、液室11の配列方向の長さLとの関係につい
て、液室中央部の最大変位量を調べることにより最適化
実験を行った。尚、振動板部位はSi7μm、Si熱酸
化膜0.3μm、下部電極の材料,厚さは前記したも
の、PZT厚さは14μm、上部電極は前述のものとし
た。そして、液室配列方向の辺の中央部に圧電素子の中
央部を配置し、ほぼ左右対称となるようにした。また、
印加電圧は0−28Vの片電界駆動(電界強度20kV
/cm相当)とした。L=120μmと固定し、Llo
は個別化せず(即ち、基板幅に相当)Lup,Lp,L
をそれぞれ変えたときの結果を表3に示す。
【0040】
【表3】
【0041】このように、配列方向における、液室11
とPZT膜22の大小関係は、変位量にあまり影響を与
えない。しかし、液室11と上部電極23の大小関係
は、振動板変位量に影響を与え、液室11より上部電極
が大きくなれば、変位は低下する。以上の結果より、こ
のような状態にする平面的な寸法関係は Lup≦Lp<L である。
【0042】以上に述べた平面的な寸法関係のもとで、
次に液体噴射実験を行った。液体としては染料を含まな
い水溶系有機ビヒクルを用いた。液室の配列方向の長さ
(単位μm)、液室の奥行き方行長さW,PZT厚みT
p、振動板厚みTvをパラメータとして液体噴射速度
(m/秒)を測定した。駆動電圧は前述と同様の20k
V/cmが圧電膜に印加されるよう、Tp厚さに対応し
て変化させた。また、印加パルスの立ち上がり速度は1
μsecとした。尚、各種膜厚は前述のものとした。そ
の結果を表4に示す。
【0043】
【表4】
【0044】以上の結果について考察してみる。まず、
L=120μm,W=6000μm,Tv=3μmとい
う条件において、Tp=6μmの場合は噴射し、Tp=
5μmの場合は液体は噴射しない。これは液室内の液体
に与える圧力がTp=5μmにおいては不足のためであ
ると考えられる。材料力学からの知見では、一般的に、
この圧力は、おおむねTp+Tvの3乗に比例し、Lの
4乗に反比例する。従って、この条件に上記の実験結果
を当てはめると、
【0045】
【数1】
【0046】即ち α≦74 と範囲設定すれば、発生圧力としては、液体を噴射させ
るだけのものを与えることができる。
【0047】また、この比例定数の値が小さくなれば、
液体噴射特性は向上することが期待でき、実際、Tp=
18μm,Tv=9μmのとき、液体噴射速度10m/
秒を記録している。ところが、Tp=18μm,Tv=
27μmのとき、液体は噴射しなかった。これは、振動
板が厚くなってその剛性が高まり、液体を噴射させるだ
けの変位量が得られなくなったためである。従って、振
動板が厚すぎるのは好ましくなく、前記比例定数の適正
値は 18<α<74 とすることが必要になる。この状態(Tp=18μm,
Tv=27μm)で液体を噴射させる手段として、液室
の奥行き方向長さWを更に大きくすることが考えられ
る。しかしながら、そのような構成にすればヘッド寸法
が平面的に非常に巨大化してしまい、実用的な範囲から
逸脱してしまう。
【0048】また、振動板形状から決定される、構造体
の共振周波数の低下を招き、拘束駆動に対し不利な方向
に働く。更に、素子製造のコスト高,歩留まりの低下を
招く。従って、インクジェットヘッドの平均的な小型
化,高速化,高集積化に対しては、上記実験結果より、 Tp≧Tv及びW/L<80 とするのが望ましい。また、L=150μm,Tp=1
0μm,Tv=5μmにおいて、W=1500μmでは
液体噴射し、W=750μmでは液体噴射しない。これ
は、W=μmでは液体を噴射させるだけの液室の奥行き
長さが短すぎるためである。従って、L=150μm以
下として高密度で液室を配列させる場合、W/L>5と
することが必要であることが分かった。
【0049】
【発明の効果】請求項1に対する効果(実施例1,4対
応) インクジェットヘッドを構成する部位の寸法関係を最適
化し、従来では困難だった小型・高密度ヘッドを実現し
た。
【0050】請求項2に対する効果(実施例2対応) 層間絶縁膜・コンタクト開口構造を取ることにより、更
なる性能向上と製造工程の安定化に寄与した。
【0051】請求項3に対する効果(実施例3対応) 加工制度の要求される部位に対し、工程の安定化を図
り、更なる性能向上と製造工程の安定化に寄与した。
【0052】本発明は、小型・高密度・改善された特
性、という特徴を生かし、小型かつ高性能なインクジェ
ットヘッドとして最適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明が適用されるピエゾオンデマンド型イ
ンクジェットヘッドの基本構成の一例を示す図である。
【図2】 本発明の実施例におけるインクジェットヘッ
ドの層構成,形状を示す図である。
【図3】 本発明の実施例における、単結晶Si基板に
圧電素子及び液室を形成するまでの製造工程を示す断面
図である。
【図4】 第2の実施形態であるインクジェットヘッド
の構成を示す図である。
【図5】 第3の実施例であるインクジェットヘッドの
構成を示す図である。
【符号の説明】
1…振動板、2…加圧液室、3…蓋部材、4…共通イン
ク流路、5…ノズル板、6…ノズル、7…共通インク流
路形成板、8…ノズル連通穴、9…インク供給口、10
…液室基板、11…液室、12隔壁、13…振動板、2
0…圧電素子、21…下部電極、22…圧電膜、23…
上部電極、24…層間絶縁膜、25…コンタクトホー
ル。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 噴射すべき液体を保持するための液室加
    工が施され該液室の壁面の一部が振動板に形成されたS
    i単結晶基板と、前記振動板上に形成された下部電極,
    圧電膜,上部電極よりなる圧電素子と、前記液室に連通
    するノズル及び流体抵抗流路とを有し、前記液室,ノズ
    ル,液体抵抗流路,振動板,及び、圧電素子が複数個配
    列されてなり、前記圧電素子に電界を印加して前記振動
    板をたわませて前記液室の容積を変化させることによ
    り、前記液体抵抗流路を介して前記液室内に供給された
    液体を前記ノズルより外部に噴射させるインクジェット
    ヘッドにおいて、前記液室の配列方向の長さをL、前記
    液室の奥行き方向の長さをW、前記圧電膜の厚みをT
    p、前記振動板の厚みをTvとしたとき、 1)5<W<L<80 2)Tp>Tv 3)L/(Tp+Tv)=α(1/L0.333)、18<
    α<74 の関係を満たすことを特徴とするインクジェットヘッ
    ド。
  2. 【請求項2】 前記液室の配列方向における前記上部電
    極の長さLupと、前記液室の配列方向における圧電膜
    の長さLpと、前記液室の配列方向における下部電極の
    長さLloと、前記液室の配列方向の長さLとの関係
    を、 4)Lup≦Lp<L 5)Llo>L としたことを特徴とする請求項1記載のインクジェット
    ヘッド。
  3. 【請求項3】 前記圧電素子における構成層であるとこ
    ろの、下部電極,圧電膜,上部電極において、前記電極
    に挟み込まれている前記圧電膜への一方の電極が、層間
    絶縁膜,コンタクト孔を介して接続されており、液室の
    配列方向におけるコンタクト孔の長さLcが、 6)Lc≦Lp の関係にあることを特徴とする請求項1又は2記載のイ
    ンクジェットヘッド。
  4. 【請求項4】 前記Si単結晶基板において、前記液室
    形成用の第1の凹部加工が、深さD1、液室の配列方向
    における幅Wv1として片面より施され、対向する面か
    らも第2の凹部加工が、深さD2、幅Wv2として施さ
    れ、この関係が、 7)D1>D2 8)Wv1≦Wv2 の関係を持って形成される振動板構造を有することを特
    徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のインクジェ
    ットヘッド。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006088151A (ja) * 2004-08-23 2006-04-06 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 液滴吐出装置
JP2006179832A (ja) * 2004-12-24 2006-07-06 Tdk Corp 圧電素子
US7575306B2 (en) 2004-03-30 2009-08-18 Fujifilm Corporation Discharge head, method of manufacturing discharge head, and liquid discharge apparatus
JP2009208405A (ja) * 2008-03-05 2009-09-17 Fuji Xerox Co Ltd 液滴吐出装置
US7699257B2 (en) 2007-01-23 2010-04-20 Shimano Inc. Dual bearing reel handle shaft structure
US8006356B2 (en) * 2006-12-07 2011-08-30 Xerox Corporation Method of forming an array of drop generators

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